變頻開關電源高頻變壓器焊接質(zhì)量分析與研究

　　周?平，項永金，張秀鳳，戴銀燕，王少輝(格力電器（合肥）有限公司，安徽??合肥，230088)

　　摘?要：空調(diào)控制器中使用的高頻變壓器主要用在開關電源中，高頻變壓器是進行能量儲存和傳輸?shù)闹匾考壳按蠖鄶?shù)高頻變壓器都為帶引腳手插式變壓器。高頻變壓器在中性鹽霧箱中放置48小時，引腳被腐蝕產(chǎn)生鐵的氧化物覆蓋在引腳的最外面，呈暗紅色的鐵銹，表現(xiàn)出的現(xiàn)象為氧化、生銹，時間久了會使引腳腐蝕斷裂，解決引腳氧化生銹問題，可以提高高頻變壓器的可靠性和使用壽命。

　　關鍵詞：高頻變壓器；引腳生銹氧化；可靠性；使用壽命

　　0 引言

　　高頻變壓器在開關電源中是進行能量儲存和傳輸?shù)闹匾考?。高頻變壓器應具有漏感小、線圈分布電容小及各線圈之間的耦合電容也要小的特點。高頻變壓器主要由初級線圈、次級線圈、磁芯、引腳、支架組成。針對試驗數(shù)據(jù)顯示17年實驗室共反饋高頻變壓器鹽霧試驗不合格1單，2018年僅上半年就已經(jīng)反饋10單，問題集中爆發(fā)，快速研究解決引腳氧化問題，具有非常重要的意義。

　　1 事件背景

　　高頻變壓器中性鹽霧試驗引腳銹蝕嚴重，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看各廠家都存在此異常，且2018年上半年呈直線上升趨勢，迫切需要分析整改，具體各供應商下線不合格率見圖一。

　　2 高頻變壓器引腳中性鹽霧試驗氧化的原因及失效機理分析

　　鹽霧是指大氣中由含鹽微小液滴所構成的彌散系統(tǒng)。其成因主要是海洋中海水激烈擾動、風浪破碎、海浪拍岸等產(chǎn)生大量泡沫、氣泡，氣泡破裂時會生成微小的水滴，大部分水滴因重力作用而降落，部分處于同渦動擴散保持平衡的狀態(tài)而分布于海面上，它們隨氣流升入空中，經(jīng)裂解、蒸發(fā)、混并等過程演變成彌散系統(tǒng)，形成大氣鹽核。

　　主要利用鹽霧試驗設備所創(chuàng)造的人工模擬鹽霧環(huán)境條件來考核產(chǎn)品或金屬材料耐腐蝕性能的環(huán)境試驗，鹽霧試驗分為二大類，一類為天然環(huán)境暴露試驗，另一類為人工加速模擬鹽霧環(huán)境試驗。

　　人工模擬鹽霧環(huán)境試驗是利用一種具有一定容積空間的試驗設備——鹽霧試驗箱，人工模擬鹽霧試驗又包括中性鹽霧試驗、醋酸鹽霧試驗、銅鹽加速醋酸鹽霧試驗、交變鹽霧試驗。

　　鹽霧實驗的主要目的是考核產(chǎn)品或金屬材料的耐鹽霧腐蝕性能，鹽霧試驗結果也是對產(chǎn)品質(zhì)量的判定，是正確衡量產(chǎn)品或金屬抗鹽霧腐蝕質(zhì)量的關鍵依據(jù)。

　　人工模擬實驗分為下面三種：

　　(1) 中性鹽霧試驗（NSS試驗）是出現(xiàn)最早目前應用領域最廣的一種加速腐蝕試驗方法。它采用5%的氯化鈉鹽水溶液，溶液PH值調(diào)在中性范圍（6～7）作為噴霧用的溶液。試驗溫度均取35℃，要求鹽霧的沉降率在1 ml～2 ml/80 cm 2 .h之間。

　　(2) 醋酸鹽霧試驗（ASS試驗）是在中性鹽霧試驗的基礎上發(fā)展起來的。它是在5%氯化鈉溶液中加入一些冰醋酸，使溶液的PH值降為3左右，溶液變成酸性，最后形成的鹽霧也由中性鹽霧變成酸性。它的腐蝕速度要比NSS試驗快3倍左右。

　　(3) 銅鹽加速醋酸鹽霧試驗（CASS試驗）是國外新近發(fā)展起來的一種快速鹽霧腐蝕試驗，試驗溫度為50 ℃，鹽溶液中加入少量銅鹽—氯化銅，強烈誘發(fā)腐蝕。它的腐蝕速度大約是NSS試驗的8倍。

　　2.1 高頻變壓器引腳鹽霧試驗氧化生銹產(chǎn)生原理

　　高頻變壓器是在天然暴露環(huán)境下使用的，選擇中性鹽霧試驗，用于模擬在惡劣的環(huán)如在天然暴露環(huán)境下對某產(chǎn)品樣品進行試驗，待其腐蝕可能要1年，而在人工模擬鹽霧環(huán)境條件下試驗，只要24小時，即可得到相似的結果。將失效模式提前驗證考核暴露缺陷，解決高頻變壓器引腳生銹腐蝕問題可大大提高其可靠性及使用壽命。

　　鹽霧對金屬材料的腐蝕，主要是導電的鹽溶液滲入金屬內(nèi)部發(fā)生電化學反應，形成“低電位金屬－電解質(zhì)溶液－高電位雜質(zhì)”微電池系統(tǒng)，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，作為陽極的金屬出現(xiàn)溶解，形成新的化合物即腐蝕物。鹽霧腐蝕破壞過程中起主要作用的是氯離子。它具有很強的穿透本領，破壞金屬的鈍態(tài)。不斷沉降在試樣表面上的鹽液膜，使含氧量始終保持在接近飽和狀態(tài)。腐蝕產(chǎn)物的形成，使?jié)B入金屬缺陷里的鹽溶液的體積膨脹，因此增加了金屬的內(nèi)部應力，引起了應力腐蝕，導致保護層鼓起。主要化學反應如下：

　　2Fe+O₂+2H₂O=2Fe(OH)₂

　　然后再氧化:

　　4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O=4Fe(OH)₃

　　但我們所見到的鐵銹其實是Fe₂O₃的水合物，其總方程式可以表示為4Fe+3O₂+XH₂O=2Fe₂O₃ · XH₂O

　　如果只是初中階段的話，可以直接認為就是Fe₂O₃的，即Fe(OH)₃失水。但是簡單的氧化是不對的，因為在干燥環(huán)境下Fe不會生銹的。

　　形成原電池化學反應：

　　負極(Fe)：Fe=Fe²⁺＋2e^-

　　正極：O₂＋2H₂O+4e^-=4OH^-

　　總反應：2Fe＋O₂＋2H₂O=2Fe(OH) ₂

　　由于吸收氧氣，所以也叫吸氧腐蝕.

　　生成的Fe(OH)₂被氧所氧化，生成Fe(OH)₃脫水生成Fe²O₃鐵銹。鋼鐵制品在大氣中的腐蝕主要是吸氧腐蝕。

　　2.2 高頻變壓器引腳中性鹽霧試驗氧化生銹失效分析

　　2.2.1 故障件外觀檢查

　　觀察上銹的部位，引腳的切腳面較嚴重，主要為內(nèi)部金屬氧化，產(chǎn)生的氧化物膨脹覆蓋在引腳表層，將氧化物去除，引腳錫鍍層已被破壞，基材裸漏且已被銹蝕。

　　2.2.2 引腳材質(zhì)測試分析

　　對故障引腳進行打磨后，引腳基材呈黑色，各廠家引腳主要成分的百分比如下表1所示。從測試數(shù)據(jù)來看，引腳使用的是鍍錫銅包鋼線，是以低碳鋼為芯線，其外表順次鍍覆銅、錫或錫基合金層加工而成的產(chǎn)品，A、C廠家含銅量最高，B、C廠家含銅量最低，但是差異性不大。非生銹主因。

　　2.2.3 鍍層厚度金相對比

　　對引腳進行金相試驗，鍍層的總體平均厚度值，測試數(shù)據(jù)如下 ，引腳氧化生銹的主要原因為：引腳鍍層不均，導致48小時中性鹽霧試驗不合格。從測試數(shù)據(jù)來看各廠家鍍層厚度相差不大，但是各廠家家鍍層都存在不連續(xù)性，鍍層存在凹點。鍍層不均是其中一個因素。

　　2.3 失效機理分析與問題復現(xiàn)

　　綜上所示，導致引腳在中性鹽霧試驗條件下出現(xiàn)氧化的主要原因為：引腳鍍層不連續(xù)，鋼基材裸漏在嚴酷中型鹽霧惡劣環(huán)境下產(chǎn)生氧化物附著導致。銅包鋼基材裸漏的原因可能有以下3種主要影響因素：

　　2.3.1 引腳裝配過程的損傷

　　引腳裝配過程及剪腳損傷裸漏鋼基材——高頻變壓器引腳（pin針）是在骨架插針時為CP卷線，插pin后根據(jù)產(chǎn)品的腳長來切腳的，那么pin截面基材為鋼，未做電鍍處理，便會在鹽霧試驗時最先開始出現(xiàn)生銹，經(jīng)過48H會順延這個截面蔓延至pin針本體，更何況有些產(chǎn)品pin需要剪除2/3，那么生銹的幾率將是100%的不合格；主要為剪切面未做二次處理導致。

　　pin針在原材料的骨架的插pin過程以及變壓器的加工生產(chǎn)纏腳配線過程中都會造成pin針表面不同程度的摩擦受損，而pin針表現(xiàn)的鍍鎳以及鍍錫厚度極其薄弱。

　　2.3.2 生產(chǎn)過程排查

　　引腳校正整形及夾腳測試損傷裸漏鋼基材——高頻變壓器引腳組裝完成后，各廠家需要對引腳進行整形，再進行性能測試，最后打包入庫。引腳校正整形是將輕微變形引腳通過機械力排布在一條直線上。性能測試也會對引腳有一定損傷。變壓器的纏腳后有進行加工上錫，pin針表面會被錫液覆蓋，從表面上看pin針表層確實被錫液完全覆蓋，而實際上表層的錫液之間是存在凹點，在鹽霧試驗的惡劣的試驗環(huán)境下出現(xiàn)滲透腐蝕。

　　高頻變壓器的線圈與引腳是通過手工焊接組裝的，在焊接過程中電烙鐵也會不注意碰到引腳對鍍層有一定的損傷。

　　2.3.3 生產(chǎn)工藝排查

　　剪腳損傷裸漏鋼基材未二次鍍錫處理——通過對各廠家引腳對比，發(fā)現(xiàn)A、B、C廠家部分需要剪腳處理的pin腳，剪切過的引腳基材未進行浸錫處理且剪切面邊緣有鍍層崩邊現(xiàn)象，分析為廠家浸錫后再進行引腳整形，修剪工序，這樣切面不會被浸錫，基材裸漏。

　　綜上所述高頻變壓器引腳生銹的主要原因有以下幾點：

　?。?）生產(chǎn)工藝異常：整形剪腳前進行的浸錫工藝；

　?。?）過程鍍層損傷：引腳整形，測試、線圈焊接。

　　3 高頻變壓器引腳氧化的失效解決方案

　　（1）方案1：將浸錫工藝調(diào)到性能測試之后，但是剪切面未做鍍層處理，浸錫效果不好。部分引腳需要進行2/3剪腳處理的引腳，無法將剪切面進行浸錫處理，否則會導致其他引腳連錫短路，此方案不能徹底解決氧化問題。

　　（2）方案2：制定引腳剪切、整形的工藝操作作業(yè)書，但是都屬于純手工操作，人員流失、操作手法，工作態(tài)度等不定因素太多，也不能徹底解決。引進全自動的線圈焊接設備，解決人工焊接對引腳的損傷，從一定程度上降低對引腳鍍層的損傷，降低不良發(fā)生概率。

　?。?）方案3：從生銹源頭引腳材質(zhì)進行整改，將目前廠家使用的CP線（鍍錫銅包鋼 鍍鎳底，其基材為“鋼”）改為磷青銅 材 質(zhì)，磷青銅（phospho rbronze）是一種合金銅，具有良好的導電性能，可以徹底解決引腳中性鹽霧試驗生銹腐蝕的問題。

　　18年下半年各廠家高頻變壓器磷青銅材質(zhì)引腳新制品陸續(xù)來貨，分別進行驗證，均未出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。

　　4 結論

　　變壓器引腳氧化腐蝕斷裂會直接影響變頻空調(diào)的使用，引腳氧化失效是隱秘性的、長期性的和關鍵性的，將引腳基材鋼更改為磷青銅，它具有良好的延展性、導電性能、電鍍性 ，且不含有鐵元素，銅元素與鹽水不可以發(fā)生反應，可以徹底解決引腳在中性鹽霧箱中氧化腐蝕、斷裂的問題，提高元器件在惡性腐蝕環(huán)境下的工作可靠性，提高元器件的使用壽命和整機可靠性。

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（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第06期第47頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）